李 娜，李曉飛，趙曉芳（天津理工大學(xué)，天津 300384）

垂直攀爬清潔機(jī)器人

李 娜，李曉飛，趙曉芳
（天津理工大學(xué)，天津 300384）

垂直攀爬清潔機(jī)器人是行走在光滑墻壁或者玻璃上的一種機(jī)器人。本設(shè)計(jì)是基于普通機(jī)器人的基礎(chǔ)上研究出的一種在豎直平面上行走并且作業(yè)的機(jī)器人。本設(shè)計(jì)由單片機(jī)控制行走及作業(yè)，將編好的程序提前輸入單片機(jī)中，這樣可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作。本設(shè)計(jì)由吸盤(pán)作為機(jī)器人的四肢行走，吸盤(pán)主軸連接步進(jìn)電機(jī)，主體連接氣泵，氣泵抽氣放氣完成吸盤(pán)的吸附或行走。它可以應(yīng)用家庭中做家務(wù)或者企業(yè)大廈的物業(yè)打掃中?，F(xiàn)在市場(chǎng)上已有這類產(chǎn)品胡生產(chǎn)，但并不完善。垂直攀爬機(jī)器人的研究涉及到控制、傳感、避障等。此外，還涉及將機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化到最節(jié)省空間的諸多知識(shí)。

垂直攀爬；步進(jìn)電機(jī)；氣泵；吸盤(pán)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.250

1　整體設(shè)計(jì)

垂直攀爬清潔機(jī)器人項(xiàng)目編號(hào)為201410060040的設(shè)計(jì)要點(diǎn)在于它的爬行結(jié)構(gòu)，它的爬行路線是由使用者自己決定的。因?yàn)檫@種機(jī)器人是在豎直平面上爬行，所以它的重量一定要盡可能的輕，否則吸力小于重力使機(jī)器人墜落。當(dāng)設(shè)計(jì)垂直攀爬清潔機(jī)器人時(shí)既要達(dá)到要求又要使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，盡量精簡(jiǎn)所需的元器件，讓整個(gè)機(jī)器人顯得靈巧。這樣也能保證操作方便。采用亞克板作為底盤(pán)裝載其他元器件，并且其他部分需要固定在亞克板上，這樣 當(dāng)垂直攀爬機(jī)器人在豎直平面上行走時(shí)才不會(huì)散落。垂直攀爬清潔機(jī)器人的行走結(jié)構(gòu)由吸盤(pán)充當(dāng)。吸附方式采用吸盤(pán)真空吸附，在光滑的平面上這種方式最為安全可靠。整個(gè)亞克板底盤(pán)為邊長(zhǎng)35厘米的正方形，在正方形中間有一個(gè) 直徑為10厘米的圓形孔，整個(gè)底盤(pán)上還有四個(gè)長(zhǎng)為15厘米的長(zhǎng)方形孔條，這是整個(gè)機(jī)器人可行動(dòng)的軌道，這個(gè)長(zhǎng)方形軌道的寬比吸盤(pán)上面的主軸直徑大0.5厘米。之所以有四個(gè)軌道是因?yàn)檫@樣可以使機(jī)器人上下左右自由爬行。

2　吸附結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

我們用真空泵來(lái)抽吸盤(pán)內(nèi)腔中的空氣。在氣泵抽氣口處因?yàn)橛型饨绱髿鈮旱淖饔?，將氣體擠入或放出氣泵內(nèi)。真空泵操作安裝時(shí)簡(jiǎn)單方便，使用壽命長(zhǎng)，體積小。選用美國(guó)HTC公司的D87-23-01的真空泵，它集無(wú)刷電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器于一體，整個(gè)氣泵小巧，重量也是在可以接受的范圍內(nèi)。

真空吸盤(pán)座穿過(guò)底盤(pán)，吸盤(pán)留在底盤(pán)下面撐起底盤(pán)，真空吸盤(pán)座上的進(jìn)出氣口通過(guò)PU管和電磁閥與氣泵相連接構(gòu)成吸附件。吸盤(pán)的位置在底盤(pán)上的軌道內(nèi)移動(dòng)，吸盤(pán)座上的主軸卡在軌道內(nèi)，再由螺母扣緊，螺母在底盤(pán)上部，這樣就達(dá)到了真空吸盤(pán)與底盤(pán)的結(jié)合。真空泵將吸盤(pán)中的空氣抽干，吸盤(pán)內(nèi)腔呈真空狀態(tài)，這樣使垂直攀爬機(jī)器人緊緊地吸附在墻壁上。電磁閥相當(dāng)于一個(gè)開(kāi)關(guān)的作用可以將兩個(gè)連接在氣泵同一個(gè)抽氣孔分開(kāi)。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，垂直攀爬機(jī)器人能否安全地貼在墻壁上與吸盤(pán)的布局有一定的關(guān)系。如果是四個(gè)吸盤(pán)的話，他們的位置要是對(duì)稱的才好。當(dāng)垂直攀爬機(jī)器人準(zhǔn)備移動(dòng)時(shí)，四個(gè)吸盤(pán)都吸附在墻壁上，舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為0度。向上移動(dòng)時(shí)四個(gè)舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)45度，撐起底盤(pán)，左右兩個(gè)吸盤(pán)松開(kāi)墻壁并進(jìn)行移動(dòng)。移動(dòng)完成后再次吸附住墻壁，四個(gè)吸盤(pán)全部吸附好后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)左右連個(gè)移動(dòng)結(jié)構(gòu)再次啟動(dòng)，因?yàn)槲P(pán)都吸附住不能動(dòng)，這次就是機(jī)器人整體移動(dòng)。當(dāng)垂直攀爬機(jī)器人向左或向右移動(dòng)時(shí)，原理相同，只是不同的吸盤(pán)移動(dòng)。機(jī)器人就是這樣自由移動(dòng)的。

3　硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)的移動(dòng)結(jié)構(gòu)最重要的一個(gè)元件就是電機(jī)。在垂直攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，我們選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)可以把脈沖變量轉(zhuǎn)換成角變量的電氣機(jī)械。因此一定要用脈沖控制步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)有電源一定要帶脈沖才能啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；還有就是步進(jìn)電機(jī)和驅(qū)動(dòng)控制器組成的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，方便容易，調(diào)速與性能良好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，自啟動(dòng)能力強(qiáng)。

檢測(cè)垂直攀爬機(jī)器人是否到達(dá)指定地點(diǎn)的方法就是用超聲波傳感器測(cè)距。原理就是首先超聲波傳感器發(fā)射一縷高頻聲波，一碰到墻壁時(shí)高頻音波會(huì)被反彈回來(lái)并被接收到，再通過(guò)把聲波去回所用的總時(shí)間乘以超聲波傳播的速度就可以獲得墻壁相對(duì)于物體的距離。超聲波對(duì)固體和液體的穿透力很大，可以穿過(guò)很深深度。這種傳感器本身測(cè)量準(zhǔn)確、無(wú)接觸、放水、防腐蝕、成本少等特點(diǎn)。

在機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)中，要要監(jiān)控它的速度變化。加速度傳感器有兩種一個(gè)是線加速度傳感器另一種是角加速度傳感器，機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是直線的，所以我們計(jì)算線加速度。直線運(yùn)動(dòng)也可以通過(guò)公式轉(zhuǎn)換程旋轉(zhuǎn)速度間接測(cè)量。旋轉(zhuǎn)式加速度傳感器與機(jī)器人直接接觸，當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦力，就會(huì)帶動(dòng)傳感器的滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，在滾輪上的脈沖裝置，發(fā)出一簇的脈沖每個(gè)脈沖代表著一定的間隔，這樣就能測(cè)出加速度。 加速度傳感器還可以讓我們了解機(jī)器人它是在加速度向上還是勻速向下或者是否停下來(lái)。

按鍵和顯示屏是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話的一種基本形式，兩種接口設(shè)計(jì)會(huì)影響到人機(jī)接口。在垂直攀爬機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，人機(jī)接口是重要的一環(huán)。顯示頻可以顯示機(jī)器人現(xiàn)在的電量、速度和路程；按鍵可以控制機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)以及其他功能開(kāi)始工作。在對(duì)一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行各種操作時(shí)，人與機(jī)器的對(duì)話是非常重要的，人機(jī)接口界面可以實(shí)現(xiàn)人與機(jī)器之間的交流。通過(guò)按鍵將所需要信號(hào)與信息輸入給系統(tǒng)，想的結(jié)果在顯示屏上顯示出來(lái)，這樣就完成了人與機(jī)器的交流的目的。

［1］張?jiān)?國(guó)內(nèi)外壁面移動(dòng)式機(jī)器人的發(fā)展概況［J］.唐山工程技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，1994（01）.

［2］劉淑霞.壁面清洗機(jī)器人控制技術(shù)的研究［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2004.

［3］王炎.爬壁機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用前景［M］.科技研究，2007.